“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程的項(xiàng)目化體驗(yàn)式教學(xué)方法探索

孫太任 喻洪流

摘 要：“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程是上海理工大學(xué)康復(fù)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，該課程旨在讓學(xué)生全面理解認(rèn)知性人機(jī)交互和物理性人機(jī)交互技術(shù)。本文根據(jù)康復(fù)器械輔助康復(fù)的復(fù)雜性和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，基于實(shí)驗(yàn)室的康復(fù)設(shè)備，提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為評(píng)價(jià)的體驗(yàn)式教學(xué)方法。該方法把人機(jī)交互技術(shù)、實(shí)踐、交互體驗(yàn)等有機(jī)結(jié)合起來，凸顯了康復(fù)工程專業(yè)的特色，有效提高了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，得到了學(xué)生的高度認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知性人機(jī)交互 物理性人機(jī)交互 教學(xué)探索 康復(fù)工程 體驗(yàn)式教學(xué)

Abstract： “Barrier-Free Human-Computer Interaction technology” is one major compulsory course of Rehabilitation Engineering major of University of Shanghai for Science and Technology. The course aims at making students comprehensively understand the Human-Computer Interaction（HCI） technology. According to the complexity and multi-disciplinary cross features of rehabilitation device-assisted rehabilitation， based on the rehabilitation devices in laboratories， this paper proposes a student-centered experiential teaching method which is problem-oriented and is evaluated by projects. This method organically combines HCI technology， practice and interactive experience， highlights the characteristics of rehabilitation engineering， effectively improves students' ability to raise， analyze and solve problems， and has been highly recognized by students.

Key Words： Cognitive HCI; Physical HCI; Teaching exploration; Rehabilitation engineering; Experience teaching

0? 引言

人機(jī)交互是人們通過觸摸、手勢、語音、視覺等與機(jī)器進(jìn)行的交互，主要包括語音交互、視覺交互、觸覺交互等認(rèn)知性人機(jī)交互，以及人機(jī)直接接觸作業(yè)的物理性人機(jī)交互[1-3]。人機(jī)交互技術(shù)早已深深地融入并扎根于人們的生活，比如人機(jī)裝配、3D投影、智能手機(jī)、電子游戲、遠(yuǎn)程會(huì)診、虛擬手術(shù)訓(xùn)練等[4-5]。正因?yàn)槿藱C(jī)交互存在的巨大應(yīng)用價(jià)值，引起了世界各國的重大關(guān)注并投入了大量的人力、物力和財(cái)力。在已經(jīng)結(jié)束的“十三五”和剛剛啟動(dòng)的“十四五”中，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”專項(xiàng)、“主動(dòng)康復(fù)和老齡化科技應(yīng)對”專項(xiàng)、“人工智能”專項(xiàng)等都大量地涉及了人機(jī)交互技術(shù)。

“人機(jī)交互技術(shù)”課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一

門重要的核心課程，該課程要求計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生需要較為全面地掌握認(rèn)知性人機(jī)交互技術(shù)，包括語音、視覺、感應(yīng)交互技術(shù)等[6， 7]。2006年，上海理工大學(xué)最先開始了國內(nèi)康復(fù)工程專業(yè)方向本科人才的培養(yǎng)，并于2020年設(shè)立國內(nèi)第一個(gè)康復(fù)工程本科專業(yè)?！盁o障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程是康復(fù)工程專業(yè)高年級(jí)本科生的一門重要的專業(yè)必修課，旨在讓學(xué)生理解面向康復(fù)的無障礙人機(jī)交互技術(shù)。

康復(fù)工程專業(yè)主要培養(yǎng)工程技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)醫(yī)工交叉的高級(jí)專門人才，設(shè)計(jì)、研發(fā)及應(yīng)用相關(guān)的現(xiàn)代康復(fù)器械（包括康復(fù)/外骨骼機(jī)器人、智能假肢、智能輪椅等），幫助失能老人、殘疾人及傷病人等功能障礙者恢復(fù)其獨(dú)立生活、學(xué)習(xí)、工作、回歸和參與社會(huì)的能力[8， 9]。與傳統(tǒng)的康復(fù)治療師輔助康復(fù)相比，以現(xiàn)代康復(fù)器械進(jìn)行輔助康復(fù)具有持續(xù)工作時(shí)間長、智能化水平高、趣味性強(qiáng)等優(yōu)勢，是康復(fù)手段的重要發(fā)展方向?？祻?fù)器械輔助康復(fù)時(shí)存在虛擬現(xiàn)實(shí)、語音交互、感應(yīng)交互等認(rèn)知性人機(jī)交互，與人體直接接觸，存在物理性人機(jī)交互。因此，面向康復(fù)工程專業(yè)的“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程不僅需要講授認(rèn)知性人機(jī)交互的相關(guān)技術(shù)，更需要講授物理性人機(jī)交互相關(guān)技術(shù)。該課程名稱中的“無障礙”突出強(qiáng)調(diào)了該人機(jī)交互技術(shù)需要輔助的對象是存在功能性障礙的人員，通過無障礙人機(jī)交互技術(shù)使功能障礙人員恢復(fù)相應(yīng)的能力?！盁o障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程與計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的“人機(jī)交互技術(shù)”課程存在明顯不同。

現(xiàn)階段，沒有面向康復(fù)工程專業(yè)的專門的人機(jī)交互技術(shù)的教材。如何讓學(xué)生充分理解面向康復(fù)的人機(jī)交互技術(shù)，并讓其對該技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣，是該課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。因此，探索“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程的有效教學(xué)方法[10]，對于提高康復(fù)工程專業(yè)本科生的教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。

1項(xiàng)目化體驗(yàn)式教學(xué)探索

上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所（系）擁有先進(jìn)的康復(fù)器械實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室是民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，配置有100多臺(tái)（套）先進(jìn)的上肢、下肢、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、手康復(fù)/外骨骼機(jī)器人、智能輪椅、智能假肢等康復(fù)工程實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備。在教學(xué)時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以面向本科生和研究生開放，這為面向康復(fù)工程專業(yè)的“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程教學(xué)的探索與改進(jìn)提供了便利。

“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。在講授基本理論知識(shí)的同時(shí)，需要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)參與、注重對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，基于實(shí)驗(yàn)室的康復(fù)設(shè)備，提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為評(píng)價(jià)的體驗(yàn)式教學(xué)方法（見圖1）。在基于認(rèn)知性人機(jī)交互估計(jì)人體運(yùn)動(dòng)意圖的基礎(chǔ)上，康復(fù)/外骨骼機(jī)器人帶動(dòng)人體完成某種動(dòng)作，在該物理性人機(jī)交互中，交互的安全性和可靠性是關(guān)鍵性要求。下面以物理性人機(jī)交互為例，來說明項(xiàng)目化體驗(yàn)式教學(xué)的主要過程。

（1）以授課教師為主導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生提出物理性人機(jī)交互相關(guān)的問題，包括多種康復(fù)訓(xùn)練模式、基于運(yùn)動(dòng)信號(hào)和生機(jī)電信號(hào)的感知、物理性人機(jī)交互的安全性和可靠性的要求、人機(jī)協(xié)調(diào)控制要求、機(jī)器人柔順控制方法、阻抗（導(dǎo)納）控制的內(nèi)涵等。

（2）基于問題進(jìn)行人機(jī)交互體驗(yàn)，由康復(fù)設(shè)備帶動(dòng)肢體完成一定的任務(wù)。在此過程中，可以充分了解運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別的信號(hào)源及信號(hào)分析、保證物理人機(jī)交互安全性的措施、多康復(fù)訓(xùn)練模式、人機(jī)交互中柔順控制參數(shù)的選取等。在此體驗(yàn)中，也可以進(jìn)一步提出問題。

（3）基于前期的人機(jī)交互式體驗(yàn)，學(xué)生可以通查找資料、交流討論等方式，分析所提問題并部分解決問題。

（4）在理論教學(xué)方面，系統(tǒng)性地介紹基于運(yùn)動(dòng)號(hào)的感知與控制、基于生機(jī)電信號(hào)的感知與控制、面向康復(fù)的機(jī)器人（阻抗）導(dǎo)納控制以及阻抗參數(shù)的變化對人機(jī)交互的影響。

（5）通過人機(jī)交互體驗(yàn)進(jìn)一步理論教學(xué)內(nèi)容，并進(jìn)一步解決提出的問題。

（6）根據(jù)運(yùn)動(dòng)意圖估計(jì)方式、阻抗（導(dǎo)納）控制設(shè)計(jì)方式、任務(wù)的不同構(gòu)建多個(gè)項(xiàng)目。將學(xué)生按項(xiàng)目分組，然后讓學(xué)生自主完成項(xiàng)目，并進(jìn)行講解、分析。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行人機(jī)交互體驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性，并加深對物理性人機(jī)交互的認(rèn)識(shí)。

該教學(xué)方法以循序漸進(jìn)、深入淺出地展開教學(xué)，可以將體驗(yàn)式教學(xué)、實(shí)踐性教學(xué)與理論教學(xué)高度融合，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對課程理論內(nèi)容的理解。在學(xué)習(xí)視頻交互時(shí)，可讓學(xué)生體驗(yàn)康復(fù)設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并讓其領(lǐng)略視頻交互的魅力;在學(xué)習(xí)物理性交互時(shí)，可通過康復(fù)/外骨骼機(jī)器人讓學(xué)生體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別的重要性，以及阻抗參數(shù)的變化對人機(jī)交互柔順性的影響，從而使其更好地理解阻抗參數(shù)的意義?；诖梭w驗(yàn)式教學(xué)，可進(jìn)一步向?qū)W生介紹虛擬現(xiàn)實(shí)、意圖識(shí)別、柔順控制背后的科學(xué)技術(shù)知識(shí)，為學(xué)生探索科技的奧秘打下良好的基礎(chǔ)。

2? 成績評(píng)定方法

該課程成績考核以問題總結(jié)和項(xiàng)目實(shí)施報(bào)告為考核依據(jù)，成績等級(jí)分為優(yōu)、良、及格、不及格。百分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。

上述以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為評(píng)價(jià)的體驗(yàn)式教學(xué)方法在小組進(jìn)行試驗(yàn)，并且得到了學(xué)生的高度認(rèn)可，認(rèn)為該模式把人機(jī)交互技術(shù)、實(shí)踐、交互體驗(yàn)等有機(jī)結(jié)合起來，凸顯了康復(fù)工程專業(yè)的特色，有效提高了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

3結(jié)語

“無障礙人機(jī)交互技術(shù)”課程是康復(fù)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。基于康復(fù)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，本文提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為評(píng)價(jià)的體驗(yàn)式教學(xué)方法，進(jìn)行視覺人機(jī)交互、聲音人機(jī)交互、感觸人機(jī)交互、物理人機(jī)交互的體驗(yàn)與項(xiàng)目實(shí)施，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)的主動(dòng)性以及解決問題的能力。

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